물리층 (3) - 디지털 신호

1. Digital Signal

• 정보는 아날로그 신호 뿐만 아니라 디지털 신호로도 보내질 수 있음
• 다량의 비트를 하나의 단위처럼 사용하면 0과 1 이상의 데이터도 보낼 수 있음 (오른쪽 그림)
• N개의 레벨을 표현하려면 log(2)N만큼의 비트가 필요함. (e.g. 8Levels = 3Bits)
• 음성(전화)의 경우는 한 단위로 8Bit를 사용하는데 이는 256 Level까지 표현 가능함
• 음성(전화)의 경우 1초당 8000번 샘플링하는데, 초당 전송량은 8000번 x 8Bit = 64Kbps 가 됨.

 

2. Bit Rate (비트 전송률, 시간당 비트 수)

• 우리가 사용하는 Digital Signal은 Non Periodic (비주기) 신호이다.
• 만약 Digital SIgnal이 주기신호라면 사실상 정보로서의 의미가 없다. (01010101...)
• Bit Rate는 시간당 몇 비트를 전송할 수 있는지에 대한 것인데, 시간의 단위는 1초이다.
• 때문에 단위는 bps (Bit / Sec)이고, 위에서 말한 음성의 64Kbps역시 Bit Rate이다.
• 대역폭(Bandwidth)가 높을수록 Data Rate가 높아질 수 있다.

 

3. Bit Length (비트 길이, 시간당 이동거리)

• Bit Rate이 1초에 몇개의 비트를 보낼 수 있는지에 대한 지표였다면
• Bit Length는 1개의 비트가 단위 시간동안 이동하는 거리(meter)이다.
• v = s / t이고, 우리는 v와 t를 알기 때문에 s를 구할 수 있다. 
• 속도는 정의되어있고, 시간은 Bit Rate으로부터 유도할 수 있다.

 

4. 유선 음성통신(64kbps)의 Bit Length의 계산

• v는 유선의 경우 약 200,000Km/s, 무선의 경우 약 300,000Km/s이다.
• 만약 음성이라면 64kpbs이기 때문에 초당 64,000개의 비트가 전송된다.
• 반대로 생각하면 비트 한개를 전송하는데 걸리는 시간은 1/64,000초이다.
• s = vt이므로, 비트 1개당 200,000/64,000 = 3.125 Km를 간다고 생각할 수 있다. 

 

5. Digital 신호는 사실 복합 Analog 신호로 해석가능하다.

[그림] 사각신호

• 이전 글에서 Square Signal(사각신호)는 1개의 Fundamental Signal(기저신호)와
• 무한개의 Harmonic(고조파)로 이루어진 복합 아날로그 신호라는 것을 알았다.
• 사실 Digital 신호는 사각신호와 완벽하게 동일하다. 짧은 시간 급격한 변화(임펄스)가 존재한다.
• 때문에 Digital 신호는 무한개의 Harmonic으로 이루어진 복합 아날로그 신호이다.
• 그러나 무한대의 Bandwidth(대역폭)을 전송할 수 있는 채널은 지구상에 없기 때문에
• 해당 채널의 대역폭에 맞는 부분만 채널로 통과시키고 나머지는 버린다.

 

6. Baseband Transmission (기저대역 전송)

• Baseband : 변조되기 이전에 또는 변조되지 않은 원래 정보 신호들이 있는 저주파 영역
• Low-pass Channel (저대역 통과채널) : 주파수가 0에서 시작하는 대역폭을 가진 채널
• 기저 대역전송은 디지털을 아날로그로 변조하지 않고 저대역 통과채널만을 이용해 전송
• 저대역 매체의 경우 가격대비 Bandwidth가 넓기 때문에 신호의 모양을 비교적 유지할 수 있다.
• Bandpass Transmission의 경우 저대역(0부터시작하는 영역을 여러 신호)가 공유할 수 없기 때문에
• 매체 1개당 채널 1개까지만 사용가능하다. 따라서 복수 단말기로부터 동시에 전송이 불가능하다.

• 가장 위에 있는 저주파가 바로 Fundamental Signal이며, 그 아래에 있는 두 신호는 그의 배수인 Harmonic.
• 대역폭이 넓은 Low pass channel의 경우는 많은 Harmonic들이 전송되어서 비교적 모양이 그럴듯하게 유지됨

[그림] 넓은 대역폭을 갖는 Low pass Channel

• 그러나 좁은 대역폭을 가진 low pass channel의 경우 대략적인 형태는 유지되는 편이지만 모양이 많이 일그러짐
• Fundamental Signal은 전송되지만 Harmonic들이 대부분 잘려나가서 구체적인 모양을 유지하지 못하는 것임

[그림] 좁은 대역폭을 갖는 Low pass channel

• 대역폭이 클수록 구리선이 굵어야하고 가격이 비싸지기 때문에, 사용자의 요구에 맞는 대역폭의 매체를 선택해야함

[그림] 넓은대역, 좁은대역 Low pass channel

 

7. Broadband Transmission (광대역 전송)

[그림] Broadband Transmission

• Bandpass Channel (특정대역 통과채널) : 주파수가 0에서 시작하지 않는 대역폭을 가진 채널
• Bandpass Channel을 이용하려면 Fundamental Signal을 포함한 주요 Harmonic이 잘려나갈 수 있기 때문에
• 기존 데이터를 반드시 다른 주파수 대역으로 변조해야하고, 이를 위해서는 반드시 아날로그 신호로 변조해야함
• 다른 주파수 대역으로 신호를 변조하기 때문에 하나의 매체에 여러 채널을 전송하는 것이 가능함
• 각각 채널의 주파수 대역을 다르게 변조하면 서로 영향을 주지 않기 때문에 각각의 통신이 방해받지 않음

 

8. Channel(Filter)의 종류

• Pass 채널(필터) : 해당 영역의 주파수만 통과 됨
• Low Pass(저주파만 통과), Band Pass(중간 주파수만 통과), High Pass(고주파만 통과)
• Stop 채널(필터) : 해당 영역의 주파수만 가로막힘
• Low Stop(저주파만 가로막힘), Band Stop(중간 주파수만 가로막힘), High Stop(고주파만 가로막힘)

 

9. Reference

데이타통신

3. Analog & Digital Signal In Physical Layer - 디지털, 아날로그 신호